拉曼光譜和聲學(xué)生物打印技術(shù)用于細(xì)菌鑒定

目前的細(xì)菌鑒定診斷方法是時(shí)間密集型的，需要培養(yǎng)，需要幾個(gè)小時(shí)到幾天才能完成。然而，最近發(fā)表在《納米通訊》上的一項(xiàng)研究提出了一種結(jié)合拉曼光譜、聲學(xué)生物打印和機(jī)器學(xué)習(xí)的新型技術(shù)，用于快速識(shí)別細(xì)菌。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)有望改善臨床診斷，使食品更安全，藥物開發(fā)更快，并加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)測。

快速和準(zhǔn)確的細(xì)菌鑒定的挑戰(zhàn)和需求

細(xì)菌感染是全世界死亡的一個(gè)主要原因，每年導(dǎo)致超過770萬人死亡。

目前的診斷過程包括培養(yǎng)細(xì)菌樣本，這可能需要幾天時(shí)間，并在等待結(jié)果時(shí)開出廣譜抗生素。不幸的是，這導(dǎo)致30%以上的病人接受不必要的治療，并促成了抗菌素耐藥性的發(fā)展。

改進(jìn)的分析方法，如PCR技術(shù)和免疫學(xué)檢測已經(jīng)被開發(fā)出來，以縮短總的檢測時(shí)間，并具有高特異性。然而，它們?cè)诂F(xiàn)場檢測中是有限的，并且需要昂貴的試劑。

因此，對(duì)提高檢測效率的替代方法的需求很高，特別是對(duì)于食源性病原體和臨床環(huán)境，快速識(shí)別對(duì)診斷感染源至關(guān)重要。

什么是拉曼光譜，它是如何用于細(xì)菌鑒定的？

拉曼光譜是一種無標(biāo)簽、非侵入性的鑒定細(xì)菌種類的方法。這種技術(shù)利用了每種類型和細(xì)胞株的獨(dú)特分子結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了一個(gè)獨(dú)特的光譜指紋，可用于識(shí)別。

通過用激光照射樣品，拉曼光譜法測量光和樣品分子之間相互作用時(shí)的能量散射（弱拉曼散射）。然后，它過濾掉激光，分析捕獲的信號(hào)并與已知的細(xì)菌相匹配。

與其他細(xì)菌鑒定的診斷方法相比，它有什么優(yōu)勢(shì)？

與其他基于核酸（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）或基于蛋白質(zhì)的細(xì)菌鑒定測試（酶聯(lián)免疫）相比，拉曼光譜法具有若干優(yōu)勢(shì)，包括試劑用量少、樣品制備量小、設(shè)備成本低、非破壞性分析以及無擴(kuò)增檢測的潛力。

表面增強(qiáng)拉曼光譜的發(fā)展進(jìn)一步提高了該技術(shù)在便攜式和低成本診斷中的可及性，使其成為食品安全、臨床診斷和環(huán)境監(jiān)測中細(xì)菌鑒定的一個(gè)有吸引力的選擇。

局限性

盡管拉曼光譜在鑒定細(xì)菌種類方面顯示出巨大的前景，但其有效性可能會(huì)受到低信噪比和需要大量數(shù)據(jù)集以涵蓋許多相關(guān)細(xì)菌菌株和抗生素抗性模式的阻礙。

該方法受到其敏感性、準(zhǔn)確性和對(duì)復(fù)雜樣品（如臨床和食品標(biāo)本）干擾的敏感性的限制。此外，高激光功率有可能影響細(xì)菌結(jié)構(gòu)和分析的準(zhǔn)確性。

為了解決這些限制，研究人員正在探索使用新型納米材料、更有效的細(xì)菌分離方法和先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理工具，以提高靈敏度并改善對(duì)原始光譜數(shù)據(jù)的分析。

結(jié)合拉曼光譜和聲學(xué)生物打印的新人工智能輔助方法提供快速的細(xì)菌鑒定

將細(xì)菌與給定樣品中的其他分子或細(xì)胞區(qū)分開來具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗鼈兌急憩F(xiàn)出獨(dú)特的光線模式。例如，即使在少量的血液中，可能有數(shù)十億的細(xì)胞，但只有少數(shù)可能是細(xì)菌。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，來自斯坦福大學(xué)的研究人員提出了一種新方法，利用表面增強(qiáng)拉曼光譜、聲學(xué)生物打印和機(jī)器學(xué)習(xí)的結(jié)合來識(shí)別液體中的細(xì)菌。該成果發(fā)表在《納米通訊》上。

研究人員使用聲學(xué)液滴噴射（ADE）技術(shù)來分離極小樣本中的細(xì)胞，并消除不需要的光譜信息。ADE使用產(chǎn)生輻射壓力的超聲波將液滴從表面彈出，液滴只有幾十個(gè)大小的細(xì)胞。

研究小組在樣品中加入了金納米棒，它與細(xì)菌結(jié)合，使拉曼信號(hào)增強(qiáng)了1500倍。然后他們采用機(jī)器學(xué)習(xí)來比較每個(gè)印刷液點(diǎn)發(fā)出的不同光線模式，以確定樣品中任何細(xì)菌的獨(dú)特拉曼光譜特征。

該研究的意義和未來展望

所提出的方法提供了一個(gè)高吞吐量和快速和負(fù)擔(dān)得起的現(xiàn)場診斷的潛力，而不需要實(shí)驗(yàn)室分析，使其適合于未經(jīng)訓(xùn)練的人員。此外，它可以導(dǎo)致對(duì)許多不同液體進(jìn)行快速、更準(zhǔn)確和廉價(jià)的微生物檢測，以替代可能需要數(shù)小時(shí)或數(shù)天的傳統(tǒng)培養(yǎng)方法。

這種創(chuàng)新方法可以為基于拉曼的研究、疾病管理和臨床診斷做出貢獻(xiàn)。它還可能使人們開發(fā)出用于檢測體液中生物標(biāo)志物的護(hù)理點(diǎn)系統(tǒng)，并將侵入性降到最低。

盡管該技術(shù)是利用血液樣本開發(fā)和完善的，但研究人員樂觀地認(rèn)為，它可以擴(kuò)展到檢查其他類型的液體和細(xì)胞，如測試飲用水的純度。

這是一個(gè)創(chuàng)新的解決方案，有可能產(chǎn)生拯救生命的影響。我們現(xiàn)在對(duì)商業(yè)化機(jī)會(huì)感到興奮，它可以幫助重新定義細(xì)菌檢測和單細(xì)胞表征的標(biāo)準(zhǔn)。---該研究的高級(jí)共同作者Amr Saleh

進(jìn)一步開發(fā)先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法、通用數(shù)據(jù)庫和簡單的樣品制備技術(shù)，對(duì)于改善拉曼光譜的解釋和創(chuàng)建一個(gè)快速和便攜的細(xì)菌鑒定系統(tǒng)以進(jìn)行現(xiàn)場測試是必要的。

參考資料

Safir, F., Vu, N., Tadesse, L. F., Firouzi, K., Banaei, N., Jeffrey, S. S., ... & Dionne, J. A. (2023). Combining Acoustic Bioprinting with AI-Assisted Raman Spectroscopy for High-Throughput Identification of Bacteria in Blood. Nano Letters.

Myers, A. (2023). Stanford Researchers Develop a New Way to Identify Bacteria in Fluids. [Online]. Stanford News. Available at:

Ho, C. S., Jean, N., Hogan, C. A., Blackmon, L., Jeffrey, S. S., Holodniy, M., ... & Dionne, J. (2019). Rapid identification of Pathogenic Bacteria using Raman Spectroscopy and Deep Learning. Nature communications.

Rodriguez, L., Zhang, Z., & Wang, D. (2023). Recent Advances of Raman Spectroscopy for the Analysis of Bacteria. Analytical Science Advances.

Tadesse, L. F., Ho, C. S., Chen, D. H., Arami, H., Banaei, N., Gambhir, S. S., ... & Dionne, J. (2020). Plasmonic and Electrostatic Interactions Enable Uniformly Enhanced Liquid Bacterial Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS). Nano letters.

作者Owais Ali